Сонячні батареї – види і принцип роботи перетворювачів
Ще не так давно автономна система забезпечення електроенергією була чимось з області фантастики. Але останнім часом такі пристрої набувають великої популярності. Економні жителі європейських країн вже багато років користуються сонячними батареями для забезпечення власних будинків електрикою.
У нашій країні таке нововведення ще на стадії розвитку, хоча деякі домовласники вже встигли по достоїнству оцінити вигоду від таких пристроїв. В першу чергу, це обумовлено постійно зростаючими тарифами на електроенергію та інші комунальні послуги. Завдяки постійному удосконаленню сучасних технологій вартість сонячних батарей повільно, але впевнено падає, що робить їх більш доступними для середньостатистичного споживача.
Як влаштована сонячна батарея?
Конструктивне виконання різних моделей пристроїв для перетворення енергії сонця в електрику має однакові елементи. Велика частина батарей складається з наступних складових:
пристрій, що генерує, постійний струм;- блок акумуляторних батарей;
- перетворювач постійної величини струму в змінну.
У свою чергу, конструкція сонячної батареї складається з фотоелектричного перетворювача. При цьому у виготовленні таких перетворюють компонентів використовують кремній – досить дорогий природний матеріал. На сьогоднішній день розглядають два основних типи фотоелектричних перетворювачів:
- перетворювачі в виготовленні яких використовується монокристалічний кремній;
- прилади з полікристалічного матеріалу.
До найважливіших технічних параметрів всіх сонячних батарей можна віднести їх коефіцієнт корисної потужності. Завдяки цим критерієм визначається економічність і якість перетворюючого пристрою. Корисна потужність визначається на підставі показників струму і напруги, які будуть залежати від ступеня інтенсивності сонячних світлових потоків, що потрапляють на фотоелементи.
Хочеться відзначити, що величина струму на виході сонячної батареї залежить не тільки від інтенсивності сонця, але і від габаритів приймають елементів. Під час дощу або взимку, коли постійно похмуро показники потужності і напруги в значній мірі знижуються, що обумовлено зменшенням вихідного струму.
Якщо батарею замкнути на будь-якому навантаженні з опором, то по такому ланцюгу починає протікати струм, величина якого буде залежати від якості перетворюють елементів і інтенсивності потоку сонячних променів. При цьому показники потужності, що виділяються при навантаженні, будуть дорівнюють величині струму і напруги перемноження між собою.
Максимальних потужних показників, споживаних електричними приладами можна досягти тільки при оптимальному опорі, яке повинно відповідати пікового значення ККД сонячної батареї. При цьому кожне перетворює пристрій має свій оптимальним розміром опору, значення якого буде залежати від параметрів фотоелектричних перетворювачів.
У конструкцію сонячної батареї входять окремі елементи, З'єднані по послідовної або паралельної схемою завдяки чому, поліпшуються параметри на виході. При послідовному з'єднанні збільшується величина напруги, а при паралельному – струм. Зазвичай на практиці використовують комбінацію методів з'єднання що дозволяє збільшити загальні вихідні параметри приладу.
Перевагою комбінованого варіанту з'єднання фотоелементів є і те що в значній мірі збільшується надійність сонячної батареї. В першу чергу – це обумовлено тим, що при виході з ладу окремо взятого елемента це практично не вплине на якість роботи пристрою в цілому.
Для збільшення надійності сонячних батарей їх елементи шунтуються за допомогою діодів. При цьому для кожного фотоелектричного елемента використовується по 4 діода. Завдяки цьому окремі елементи, на які не потрапляє світло не виходять з ладу. У такій ситуації приблизно на чверть зменшується генерується вихідна потужність.
Якщо знехтувати установкою діодів, то через перегрів елементи приймають сонячні промені будуть ламатися, так як при відсутності світла вони починають споживати струм, а завдяки використанню діодів струм не буде проходити через них.
Сонячні батареї – принцип роботи
Всі перетворювачі світлової енергії в електричну працюють по досить простим принципом, який відомий більшості людей ще зі шкільного курсу фізики. Зокрема, потрібно згадати принцип дії p-n переходу. Саме завдяки йому відбувається перетворення світла в електрику.
Такий принцип роботи може проілюструвати транзистор зі зрізаним корпусом. Промені світла, потрапляючи, на p-n перехід перетворюються в електричний струм, про появу якого буде свідчити вольтметр, підключений до висновків. При цьому якщо збільшити площу переходу показники електроенергії також зростуть. Тому всі сучасні батареї мають досить великі габарити, що дозволяють в повній мірі задовольнити потреби споживачів в електричній енергії.
З кожним роком відбувається удосконалення матеріалів і конструкції сонячних батарей, завдяки чому значною мірою збільшується коефіцієнт перетворення сонячної енергії в електричну. При цьому параметри струму і напруги на виході приладу залежать від ступеня освітленості фотоприймачів.
Кремнієві перетворювачі сонячної енергії
Сонячними батареями, що виготовляються з кремнію, виробляється струм постійної величини, Утворений завдяки потраплянню на кремневодневі елементи потоків сонячного світла. Особливість матеріалу така що світлові потоки, що потрапляють на поверхню, виробляють зрушення електронів з орбіти атома. Завдяки цьому вільні електрони виробляють електрику. Такі перетворювачі мають високу продуктивність, але мають складну у виготовленні конструкцію, через яку значно зростає ціна пристрою. При цьому на сьогоднішній день розрізняють певні моделі кремнієвих пристроїв.
монокристалічний перетворювач, Відмінною рисою елементів якого є загальна спрямованість чутливих до світла осередків в одному напрямку. Це, в свою чергу, дозволяє працювати сонячній батареї з максимальним коефіцієнтом ККД. Але для якісної роботи фотоприймачі повинні бути постійно розгорнуті до світла.- полікристалічне пристрій працює завдяки пластин, що складається, з різноспрямованих кристалів кремнію що знижує рівень ККД на кілька відсотків. Також такі сонячні батареї відрізняються зовні, так як складаються з пластин з правильною формою і темно-синім забарвленням. Неоднорідність відтінку і структури таких пристроїв обумовлена різнорідністю кристалів кремнію і наявністю різних домішок.
- Аморфне перетворює пристрій являє собою найтонші кремнієві шари, одержувані шляхом напилення матеріалу в умовах вакууму. В якості основи беруть високоякісну металеву фольгу, скло або полімерні матеріали. Такі сонячні батареї мають незначний ККД в порівнянні з іншими перетворювачами. Це в першу чергу обумовлено підвищеним вигоранням кремнієвого шару під впливом радіації сонячних променів. Як стало відомо, з практики якість роботи аморфного перетворювача через кілька місяців знижується на 25%, а через кілька років сонячна батарея зовсім перестає працювати.
- гібридний фотоперетворювач – пристрій, що об'єднало в собі аморфні панелі і мікрокристалічний кремній. Якість роботи гібридного перетворювача наближене до характеристик полікристалічного аналога, з єдиною відмінністю в тому, що рівень ККД навіть при розсіяному світлі на порядок вище. Крім цього, такі сонячні батареї можуть перетворювати як ультрафіолетовий спектр, так і інфрачервоне випромінювання.
Полімерний перетворити сонячної енергії
Полімерний перетворювач сонячної енергії в електричну – перспективний варіант заміни кремнієвого аналога. Прилад складається з плівки з полімерним активним шаром, електродів з алюмінію і підкладки з високою гнучкістю. Завдяки об'єднанню всіх фотоелементів між собою виходить пристрій рулонного типу.
Такі сонячні батареї досить гнучкі і мають незначну вагу. При цьому їх вартість набагато нижче ніж у аналогів з кремнію, який є дорогим матеріалом. Крім цього, такі системи мають високу екологічністю що дуже актуально на сьогоднішній день.
Хочеться відзначити, що полімерні сонячні батареї мають невисокий ККД. Для широкого споживача перші такі пристрої почали виробляти в Данії. При цьому сама процедура виробництва відбувається за рахунок багатошарової друку фотоелементів на спеціальній гнучкій плівці, яку можна розрізати по будь-яким розмірами що дуже зручно. Вартість плівкового елемента набагато менше ніж у аналогів з кремнію. Але зустріти таку сонячну батарею на прилавках магазинів практично неможливо. Процес виробництва тільки входить в початкову стадію розвитку.
Робота сонячної батареї в погану погоду
Сонячна батарея – чудове джерело електрики, придуманий людиною. Але через те, що основний роботи таких пристроїв є сонячне світло, то якщо на вулиці дощ або хмари, ефективність їх роботи падає в рази. Особливо це актуально в осінньо-зимовий період року, коли погода не балує великою кількістю сонячних днів.
Виходячи з досвіду використання сонячних джерел електрики, взимку коефіцієнт виробленої енергії падає практично в 5 разів. А якщо взяти до уваги, що продуктивність таких пристроїв спочатку нижче стандартного електропостачання, то використання сонячних батарей взимку або в похмуру погоду практично безглуздо.
Окрім цього, при випаданні снігу потрібно виконувати очистку панелей, причому робити це потрібно з максимальною обережністю, так як будь-який дефект або пошкодження фотоелементів значно знизить роботу батареї в цілому. А якщо говорити про опади у вигляді граду, то вони просто згубні для сонячних батарей, так як всі модулі від механічних ударів крижинок приходять в повну непридатність.
Природно, на сьогоднішній день можна збільшити продуктивність сонячного джерела електроенергії в похмуру погоду або взимку. Для цього були розроблені спеціальні прилади, які відстежують положення сонця. Це дозволяє моноблоку розташовуватися під правильним кутом до джерела світла. В першу чергу – це важливо з тієї простої причини, що навіть незначне відхилення батареї від сонця сильно знижує її продуктивність. І чим сильніше кут відхилення, тим менше електрики виробляється пристроєм.